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.Net Discovery 系列之五--深入浅出.Net实时编译机制(上)

    欢迎阅读“.Net Discovery 系列”文章,本文将分上、下两部分为大家讲解.Net JIT方面的知识,敬请雅正。

 

    JIT(Just In Time简称JIT)是.Net边运行边编译的一种机制,这种机制的命名来源于丰田汽车在20世纪60年代实行的一种生产方式,中文译为“准时制”。

    .Net 的JIT编译器在设计初衷和运行方式来上讲,都与丰田汽车的这种“准时生产”思想体系有着很大的相似之处,所以让我们先来透过“准时生产”方式来理解.Net的JIT机制吧。

    “准时生产”的基本思想可概括为“在需要的时候,按需要的量生产所需的产品”,这正是.Net JIT编译器的设计初衷,即在需要的时候编译需要的代码。

 

    第一节.Me JIT

    以C#为例,在C#代码运行前,一般会经过两次编译,第一阶段是C#代码向MSIL的编译,第二阶段是IL向本地代码的编译。第一阶段的编译成果是生成托管模块,第二阶段的编译成果是生成本地代码以供运行,从这里各位同学可以看出,第一阶段生成的MSIL是不能直接运行的。

这里先要解释一下什么是MSIL和托管模块。

    MSIL:

    MSIL 全称为Microsoft Intermediate Language,中文译为“微软中间语言”,它是一种介于高级语言和汇编语言之间的伪汇编语言(姑且这么叫,各位有不同意见的同学不必激动)。当用户编译运行一个.NET程序时,高级语言编译器会将源代码翻译成一组可以独立于CPU的指令。

    可以看出IL 包括用于加载(ldstr )、存储(压栈、弹栈)和初始化对象(locals)以及调用对象方法(call)的指令,还包括用于算术和逻辑运算、控制流、直接内存访问、异常处理和其他操作的指令。

    C#代码:

string str_test = "test";
System.String Str_test
= "test";


  对应IL码:   

// 代码大小 14 (0xe)
     .maxstack 1
     .locals init ([
0] string str_test,
     [
1] string Str_test)
     IL_0000: nop
     IL_0001: ldstr
"test"
     IL_0006: stloc.
0
     IL_0007: ldstr
"test"
     IL_000c: stloc.
1
     IL_000d: ret

    托管模块:

    托管模块(managed module)是一个标准32位或64位Microsoft  Windows可移植可执行体(PE32或PE32+)文件,托管模块需要CLR才能执行,它包含了上面介绍的IL代码,还包含元数据、PE头、CLR头几部分。

    元数据(metadata)可以理解为一个HashTable,Table中映射了内置类型和成员以及引用的类型和成员,这些类型与成员供IL使用,所以元数据总是需要关联对应的IL代码,编译器也是同时生成元数据与IL,以保证自描述的同步。

    PE头(Portable Executable,中文译为可移植的可执行的)包括了PE32与PE32+,标示了托管模块的运行环境以及JIT优化本地代码时所要用到的信息,这在后面会讲到。

    CLR头主要包括方法的入口地址标记,以及资源、强命名等信息,这些信息是GAC重要的参数依据。

    下图可以表示出JIT的介入时机:

 

图1 JIT工作时机

    JIT是运行时的一个重要职责模块,它将IL转换为本地CPU指令,从上图可以看出,也许你不敢相信,即时编译这个过程是在运行时发生的,这会不会对性能产生影响呢?事实上答案是虽然是肯定的,但这种开销物有所值:

  1. JIT所造成的性能开销并不显著。
  2. JIT遵循计算机体系理论中两个经典理论:局部性原理与8020原则。局部性原理指出,程序总是趋向于使用最近使用过的数据和指令,这包括空间的和时间的,将局部性原理引申可以得出,程序总是趋向于使用最近使用过的数据和指令,以及这些正在使用的数据和指令临近的数据和指令(凭印象写的,但不曲解原意);而8020原则指出,系统大多数时间总是花费80%的时间去执行那20%的代码。   根据这两个原则,JIT在运行时会实时的向前、后优化代码,这样的工作只有在运行时才可以做到。
  3. JIT只编译需要的那一段代码,而不是全部,这样节约了不必要的内存开销。
  4. JIT会根据运行时环境,即时的优化IL代码,即同样的IL代码运行在不同CPU上,JIT编译出的本地代码是不同的,这些不同代码面向自己的CPU做出了优化。
  5. JIT会对代码的运行情况进行检测,并对那些特殊的代码经行重新编译,在运行过程中不断优化。

    实际上JIT的优点还不止如此,它对内联、策略引擎(.Net Discovery 系列之四--深入理解.Net垃圾收集机制(下)  中包含对策略引擎的描述)、CLR反馈、代码回收(非垃圾回收,这在第二节中会有介绍)等方面都会有不可磨灭的贡献。

    必须指出的是JIT在第一次编译IL后,会修改对应方法相应的内存地址入口(绕口啊~~),下一次需要执行这个方法时,CLR会直接访问对应的内存地址,而不会经过JIT了。

 

   第二节.编译与执行

    在上一节中我们讨论了与JIT相关的一些元素和JIT的优势,这一节将为大家重点介绍JIT在编译方面的原理。

    C#等高级语言必须被编译为IL才可被执行,IL在执行前必须被便以为本地代码才可运行,这里有两种方法可以获得本地代码,JIT方式和Native Image Generator方式,本节主要讨论JIT方式。

    必须指出的是JIT在第一次编译IL后,会修改对应方法相应的内存地址入口,下一次需要执行这个方法时,CLR会直接访问对应的内存地址,而不会经过JIT了,这样无疑加快了程序运行的速度,这是怎样的一个过程呢?

    以Load()方法为例,假如Load()方法中调用了两次同类型中的方法:

 

Void Load()

{

A.a1(
"First");

A.a1(
"Second");

}
static class A

{

Public
void a1(string str){}

Public
void a2(string str){}

Public
void a3(string str){}

}

 

    运行时,操作系统会根据托管模块中各种头信息,装载相应的运行时框架,Load()被加载,由于是第一次加载,这会触发对Load()的即时编译,JIT会检测Load()中引用的所有类型,并结合元数据遍历这些类型中定义的所有方法实现,并用一个特殊的HashTable(仅用于理解)储存这些类型方法与其对应的入口地址(在未被JIT前,这个入口地址为一个预编译代理(PreJitStub),这个代理负责触发JIT编译),根据这些地址,就可以找到对应的方法实现。

 

    未完待续

    我是李鸣(Aicken) 请您继续关注我的下一篇文章。

 

    “.Net Discovery 系列”推荐:

     .Net Discovery 系列之三--深入理解.Net垃圾收集机制(上)

     .Net Discovery 系列之四--深入理解.Net垃圾收集机制(下)

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     .Net Discovery 系列之二--string从入门到精通(下)

posted on 2009-12-22 15:52 Aicken(李鸣) 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏